燃料電池システム
【課題】負荷変動が生じた場合であっても、発電動作を安定的に実行することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１０は、平面配列された燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂを有する。燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂは、それぞれ、平面配列された複数の膜電極接合体を含み、燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂのアノードに燃料カートリッジ３０に吸蔵されている水素が供給可能になっている。制御部４０は、燃料電池システム１０に接続された外部負荷が所定の閾値以内であり、かつ燃料電池モジュール２０ａの温度、燃料電池モジュール２０ｂの温度の少なくとも一方が所定の閾値温度以下の場合に、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂを交互に外部負荷に接続する制御を行う。
【解決手段】燃料電池システム１０は、平面配列された燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂを有する。燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂは、それぞれ、平面配列された複数の膜電極接合体を含み、燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂのアノードに燃料カートリッジ３０に吸蔵されている水素が供給可能になっている。制御部４０は、燃料電池システム１０に接続された外部負荷が所定の閾値以内であり、かつ燃料電池モジュール２０ａの温度、燃料電池モジュール２０ｂの温度の少なくとも一方が所定の閾値温度以下の場合に、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂを交互に外部負荷に接続する制御を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。より具体的には、本発明は平面配列型の燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は水素と酸素とから電気エネルギーを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギーや運動エネルギーの過程を経ない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できること、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いことなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギーを有効に利用でき、環境にやさしい特性を持っているので、２１世紀を担うエネルギー供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。
【０００３】
中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴が有り、特に近年、携帯機器（携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、ＭＰ３プレーヤ、デジタルカメラあるいは電子辞書、電子書籍）などの電源への利用が期待されている。携帯機器用の固体高分子形燃料電池としては、複数の単セルを平面状に配列した平面配列型の燃料電池が知られている（特許文献１参照）。燃料としては、特許文献１に示したメタノールの他、水素吸蔵合金や水素ボンベに格納された水素を利用することが研究されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２４４７１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
周囲環境の変化や負荷電力変動により燃料電池の熱バランスが変化することにより、燃料電池に温度変化が生じる。負荷電力が大きい場合には、燃料電池の温度が高くなることにより、燃料電池の電解質膜が乾燥して性能が低下することが考えられる。特に、同一平面状にセルが配置された平面配列型の燃料電池においては、大気に開放される面が大きいために電解質膜が乾燥しやすくなる。乾燥を防ぐために燃料電池の空気極(カソード)側を覆う多孔質体(空気/水蒸気の流通部)を用いる構成が知られている。しかし、多孔質体の開孔率はドライアウトを防止することを目的として設計されるために、負荷電力が低い場合には生成水と熱とのバランスの関係で発熱が十分でなくなり、生成水が結露しやすくなるという問題(フラッディング)が生じる課題があった。
【０００６】
また、各燃料電池モジュール間で性能にばらつきがある場合には、並列接続したときに最も性能の高い燃料電池モジュールでは燃料電池の温度が高くなり、最も性能の低い燃料電池モジュールでは燃料電池の温度が低くなる。このため、発電時(特に最大出力時)では燃料電池の温度差が大きくなり、温度の高い燃料電池ではドライアウトが発生する場合がある。また、個別に冷却制御が可能な冷却システムが必要である場合がある。
【０００７】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、負荷電力変動が生じた場合であっても、発電動作を安定的に実行することができる燃料電池システムの提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある態様は、燃料電池システムである。当該燃料電池システムは、負荷に対して電気的に並列接続されているｎ個［ｎは２以上の整数］の燃料電池モジュールと、各燃料電池モジュールと負荷との接続状態を切り替え可能な接続切替手段と、少なくとも１つの燃料電池モジュールの温度が所定の温度以下の場合に、負荷電力に応じて、負荷に同時に接続される燃料電池モジュールの数がｍ［ｍ＝１、２、・・・、ｎ−１］になるように接続切替手段を用いて負荷に接続される燃料電池モジュールを切り替える切替運転を実行させる制御部と、を備えることを特徴とする。ここで、負荷とは、外部負荷(アプリケーション)と二次電池負荷(燃料電池システム内に内蔵されている二次電池)の和のことを指す。
【０００９】
この態様によれば、負荷電力に応じて、負荷に接続されている燃料電池モジュールの数を変化させたり、負荷に接続される燃料電池モジュールを異ならせたりすることにより、負荷が変動しても、各燃料電池モジュールに流れる電流の値を同等にすることができる。この結果、燃料電池モジュールの温度が一定の範囲内で推移することでドライアウトや生成水の結露が抑制され、ひいては燃料電池システムの発電動作をより安定化させることができる。
【００１０】
上記態様の燃料電池システムにおいて、ｎ個の燃料電池モジュールが平面状に配列されていてもよい。また、隣接する燃料電池モジュールの主表面が互いに向かい合うようにｎ個の燃料電池モジュールが並設されていてもよい。
【００１１】
上記態様の燃料電池システムにおいて、制御部は、一定時間経過毎に、負荷に接続される燃料電池モジュールの組み合わせを切り替えてもよい。また、制御部は、各燃料電池モジュールの温度がいずれも所定の温度より高くなった場合に、ｎ個の燃料電池モジュールを負荷に接続させてもよい。また、制御部は、切替運転の際に、負荷に接続する対象となる燃料電池モジュールを負荷に接続し、所定の時間経過後に、負荷から切り離す対象となる燃料電池モジュールを負荷から切り離す処理を実行させてもよい。また、制御部は、負荷電力が最大のｍ／ｎ以下になった場合に、負荷に同時に接続される燃料電池モジュールの数がｍになるように接続切替手段を用いて負荷に接続される燃料電池モジュールを順に切り替える切替運転を実行させてもよい。
【００１２】
また、上述した態様の燃料電池システムにおいて、制御部は、特定の燃料電池モジュールの温度が各燃料電池モジュールの温度の平均値に対して所定の値より大きい場合に、当該燃料電池モジュールの温度に応じて当該燃料電池モジュールの電流を制限してもよい。また、上述した態様の燃料電池システムにおいて、制御部は、全燃料電池モジュールの温度の中で最大温度と最小温度との差が所定値より大きい場合に、全燃料電池モジュールの中で温度が高い順に１つあるいは複数の燃料電池モジュールについて、その温度に応じて当該燃料電池モジュールの電流を制限してもよい。
【００１３】
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池システムによれば、負荷電力の変動が生じた場合であっても、負荷電力に応じた発電を行うように燃料電池モジュールの接続数を切替えることができ、燃料電池モジュールの分割数や同時に接続する燃料電池モジュールの接続数を増やすことによって、より広範囲の負荷の範囲で発電動作を安定的に実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す分解斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った断面の要部断面図である。
【図３】実施の形態に係る燃料電池システムにおける燃料供給経路を示すブロック図である。
【図４】実施の形態に係る燃料電池システムの回路構成を示す回路図である。
【図５】実施の形態に係る燃料電池システムの動作を示す第１のフローチャートである。
【図６】燃料電池モジュールのＩ−Ｖ特性、Ｉ−Ｐ特性、温度の電流依存性および生成水の電流依存性を示すグラフである。
【図７】実施の形態に係る燃料電池システムの動作例１を示すタイミングチャートである。図７（Ａ）は、負荷電力の時間変化を示す。図７（Ｂ）、（Ｃ）は、各燃料電池モジュールの接続状態（オンオフの状態変化）を示す。図７（Ｄ）は、各燃料電池モジュールの電力の変化を示す。
【図８】従来の制御方法における、燃料電池システムの温度変化を示すグラフである。
【図９】動作例１の制御方法における、燃料電池システムの温度変化を示すグラフである。
【図１０】ドライアウト温度およびフラッディング温度の湿度依存性を示すグラフである。
【図１１】実施の形態に係る燃料電池システムの動作例２を示すタイミングチャートである。図１１（Ａ）は、負荷電力の時間変化を示す。図１１（Ｂ）、（Ｃ）は、各燃料電池モジュールの接続状態（オンオフの状態変化）を示す。図１１（Ｄ）は、各燃料電池モジュールの電力の変化を示す。
【図１２】実施の形態に係る燃料電池システムの動作を示す第２のフローチャートである。
【図１３】図１３は、燃料電池システムの動作例３を示すタイミングチャートである。図１３（Ａ）は、負荷電力の時間変化を示す。図１３（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂの接続状態（オンオフの状態変化）を示す。図１３（Ｄ）は、各燃料電池モジュールの電力の変化を示す。
【図１４】実施の形態に係る燃料電池システムの動作を示す第３のフローチャートである。
【図１５】変形例１に係る燃料電池システムの概略構成を示す分解斜視図である。
【図１６】変形例２に係る燃料電池システムの概略構成を示す分解斜視図である。
【図１７】図１６のＡ−Ａ線に沿った断面の要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１７】
（実施の形態）
図１は、実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す分解斜視図である。図２は、実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す要部断面図である。燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂ（以下、燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂを総称して燃料電池モジュール２０と呼ぶ場合がある）、燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂに供給される水素を貯蔵する水素吸蔵合金カートリッジ（以下、単に「燃料カートリッジ」という）３０、制御部４０、二次電池５０、燃料カートリッジ３０内の水素を燃料電池モジュール２０に供給するための関連部材（レギュレータ６０、燃料供給プレート７０など）、ならびに、以上の部材の収容するための上側筐体８０ａおよび下側筐体８０ｂを備える。
【００１８】
図２に示すように、各燃料電池モジュール２０は、主に、膜電極接合体２００、カソードハウジング２１０およびアノードハウジング２２０を備える。
【００１９】
膜電極接合（単セル）２００は、電解質膜２０２と、電解質膜２０２の一方の面に離間して配設されている複数のカソード触媒層２０４と、電解質膜２０２の他方の面にカソード触媒層２０４に対応して配設されているアノード触媒層２０６とを含む。本実施の形態では、複数のカソード触媒層２０４が電解質膜２０２の一方の面に離間して配設されており、カソード触媒層２０４にそれぞれ対応して、複数のアノード触媒層２０６が電解質膜２０２の他方の面に離間して配設されている。
【００２０】
電解質膜２０２は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、カソード触媒層２０４とアノード触媒層２０６との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜２０２は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２などが挙げられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。電解質膜２０２の厚さは、たとえば１０〜２００μｍである。
【００２１】
カソード触媒層２０４は、電解質膜２０２の一方の面に形成されている。カソード触媒層２０４には、上側筐体８０ａに設けられた空気取込口８２およびカソードハウジング２１０に設けられた開口２１２を経由して外部から空気が供給される。また、アノード触媒層２０６は、電解質膜２０２の他方の面に形成されている。アノード触媒層２０６には、燃料カートリッジ３０から放出された水素が供給される。一対のカソード触媒層２０４とアノード触媒層２０６との間に電解質膜が２０２が狭持されることにより単セルが構成され、単セルは水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する。
【００２２】
カソード触媒層２０４およびアノード触媒層２０６は、それぞれイオン交換樹脂ならびに触媒粒子、場合によって炭素粒子や炭素繊維を有する。
【００２３】
カソード触媒層２０４およびアノード触媒層２０６が有するイオン交換樹脂は、触媒粒子と電解質膜２０２とを接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。このイオン交換樹脂は、電解質膜２０２と同様の高分子材料から形成されてよい。触媒金属としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｉｒ、ランタノイド系列元素やアクチノイド系列の元素の中から選ばれる合金や単体が挙げられる。また触媒を担持する場合には炭素粒子として、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどを用いてもよい。なお、カソード触媒層２０４およびアノード触媒層２０６の厚さは、それぞれ、たとえば１０〜４０μｍである。
【００２４】
電解質膜２０２のカソード側に、カソード触媒層２０４を覆うように、多孔質体９０が形成されている。多孔質体９０の材料は、たとえば、フッ素樹脂である。カソード触媒層２０４の上に多孔質体９０を形成することにより、外部からカソード触媒層２０４への空気および水蒸気の流通を確保しつつ、各単セルにおいてドライアウトが発生することを抑制することができる。多孔質体９０の空孔率は、各単セルの乾燥を抑制する範囲で設計される。
【００２５】
隣接する単セルのうち、一方の単セルのアノード触媒層２０６と他方の単セルのカソード触媒層２０４とをインターコネクターなどの電気接続部材（図示せず）を用いて電気的に接続することにより、複数の単セルが直列に接続されている。
【００２６】
電解質膜２０２の外縁部に沿って、カソードハウジング２１０の側壁の縁とアノードハウジング２２０の側壁の縁とが向かい合わせになることで、燃料電池モジュール２０の筐体が形成されている。
【００２７】
カソードハウジング２１０には、燃料電池モジュール２０のカソード触媒層２０４に対向する面に開口２１２が設けられている。上側筐体８０ａに設けられている空気取込口８２、カソードハウジング２１０に設けられている開口２１２、多孔質体９０を経由して、燃料電池モジュール２０のカソード触媒層２０４に空気が供給される。なお、開口２１２の周縁のカソードハウジング２１０により多孔質体９０の周縁部が保持されており、カソード触媒層２０４と多孔質体９０との密着性の向上が図られている。
【００２８】
電解質膜２０２と対向するアノードハウジング２２０の面は、アノード触媒層２０６から離間して設けられており、アノード触媒層２０６とアノードハウジング２２０との間に、燃料ガス室２３０が形成されている。アノードハウジング２２０には、燃料電池モジュール２０のアノード触媒層２０６に対向する面に燃料取込口２１４が設けられている。燃料カートリッジ３０から供給された水素は、燃料取込口２１４を経由して、燃料ガス室２３０に導入され、各単セルの発電に用いられる。なお、アノードハウジング２２０の側壁の縁と、電解質膜２０２の外縁部との間にはパッキン２１３が配設されており、燃料ガス室２３０の気密性が高められている。
【００２９】
隣接する燃料電池モジュール２０の間、言い換えると、燃料電池モジュール２０の区画の境界部分に、断熱材を配置することが望ましい。これによれば、発電中の燃料電池モジュール２０から発電を停止している燃料電池モジュール２０に熱が逃げにくくなるため、後述する効果をより発揮させることができる。
【００３０】
図３は、実施の形態に係る燃料電池システムにおける燃料供給経路を示すブロック図である。
【００３１】
燃料充填口６２に補給用の水素を貯蔵する外部ボンベ（図示せず）を接続することにより、燃料カートリッジ３０内の水素吸蔵合金に水素を補充することができる。なお、燃料充填口６２と燃料カートリッジ３０との間の配管には逆止弁６３が設けてあり、燃料カートリッジ３０に貯蔵された水素が外部に漏れることが抑制されている。
【００３２】
燃料カートリッジ３０に貯蔵された水素は、レギュレータ６０を介して燃料供給プレート７０に供給される。レギュレータ６０により、外部ボンベから水素吸蔵合金に水素が補充される際や、水素吸蔵合金から水素が放出される際に、燃料供給プレート７０に供給される水素の圧力が低減され、各燃料電池モジュール２０のアノードが保護される。
【００３３】
燃料供給プレート７０には、レギュレータ６０を経由した水素を各燃料電池モジュール２０に分配するための燃料流路７２が設けられている（図２参照）。燃料流路７２の出口は、燃料電池モジュール２０に設けられた燃料取込口２１４に対応して設けられており、燃料流路７２を通過した水素は、燃料流路７２の出口から燃料取込口２１４を経由して、燃料電池モジュール２０の燃料ガス室２３０に導入される。なお、燃料流路７２の出口と燃料取込口２１４との間が密閉空間になるように、燃料電池モジュール２０と燃料供給プレート７０との間にパッキン７４が設けられている。
【００３４】
レギュレータ６０から燃料供給プレート７０への水素の供給は、燃料遮断スイッチ６４により遮断可能である。燃料電池システムを使用しない場合に、燃料遮断スイッチ６４により水素の供給を遮断することにより、燃料電池モジュール２０から微量の水素が散逸することで燃料が消費されることを抑制することができる。また、燃料電池システム１０に異常が発生した場合などに、燃料遮断スイッチ６４により水素の供給を緊急遮断することにより、安全の確保を図ることができる。
【００３５】
図４は、実施の形態に係る燃料電池システムの回路構成を示す回路図である。燃料電池モジュール２０ａと燃料電池モジュール２０ｂとが並列接続されており、接続ノード３００と燃料電池モジュール２０ａの正極との間にスイッチ３１０ａが設けられている。スイッチ３１０ａのオンオフは、制御部４０によって制御されており、スイッチ３１０ａをオンオフさせることにより、燃料電池モジュール２０ａが外部負荷３２０に接続されている状態と外部負荷３２０から切り離されている状態とを切り替えることができる。また、接続ノード３００と燃料電池モジュール２０ｂの正極との間にスイッチ３１０ｂが設けられている。スイッチ３１０ｂのオンオフは、制御部４０によって制御されており、スイッチ３１０ｂをオンオフさせることにより、燃料電池モジュール２０ｂが外部負荷３２０に接続されている状態と外部負荷から切り離されている状態とを切り替えることができる。なお、外部負荷３２０は、携帯機器などの電源負荷である。
【００３６】
燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂの温度は、それぞれ温度センサー２２ａ、２２ｂにより計測される。温度センサー２２ａ、２２ｂにより計測された温度は、それぞれ制御部４０に送信される。なお、温度センサー２２ａにより計測される温度は、燃料電池モジュール２０ａの電解質膜２０２近傍の温度、または燃料電池モジュール２０ａの電解質膜２０２近傍の温度に比例する温度である。同様に、温度センサー２２ｂにより計測される温度は、燃料電池モジュール２０ｂの電解質膜２０２近傍の温度、または燃料電池モジュール２０ｂの電解質膜２０２近傍の温度に比例する温度である。また、温度センサー２２ｚは、外部雰囲気温度を計測している。
【００３７】
燃料電池モジュール２０にて発生した直流電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（変換回路）３３０により所定電圧（たとえば２４Ｖ）の直流電力に変換された後、並列接続された二次電池５０および外部負荷３２０に供給される。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３０により昇圧される所定電圧は、制御部４０によって設定される。
【００３８】
二次電池５０は、たとえば、リチウムイオン二次電池である。二次電池５０の放電または充電は、二次電池制御回路５２によって制御される。
【００３９】
外部負荷３２０の負荷電力を計測するには、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３０の出力電圧が一定である場合は、電流値の計測により負荷電力の算出が可能となる。電流値は、たとえば、シャント抵抗器などの抵抗器の両端の電圧を計測することにより算出が可能である。具体的には、接続ノード３００とＤＣ／ＤＣコンバータ３３０との間に設けられた電流検出器３４０によって計測された電流値が、制御部４０に送信され、送信された電流値に基づいて制御部４０において外部負荷電力の値が算出される。出力電圧が変化する場合には、電流値と電圧値の両方を計測し、それらを演算することにより、外部負荷電力の算出が可能となる。また、二次電池制御回路５２にも同様の電流検出器を設けて、二次電池負荷電力も計測可能であり、外部負荷電力と二次電池負荷電力を合計し、負荷電力の算出が可能となる。
【００４０】
制御部４０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、燃料電池システム１０の運転を制御する。具体的には、制御部４０は、入力された各燃料電池モジュール２０の温度情報、電流検出器３４０で計測された電流値を用いて算出された外部負荷と二次電池制御回路部５５で計測された二次電池の充電時の負荷の値の合計に基づいて、スイッチ３１０ａ、３１０ｂのオンオフを制御する。制御部４０による、スイッチ３１０ａ、３１０ｂのオンオフを制御については後述する。
【００４１】
（燃料電池システムの動作フロー）
図５は、実施の形態に係る燃料電池システム１０の動作を示す第１のフローチャートである。まず、燃料電池システム１０と電気的に接続された外部負荷と二次電池の充電時の負荷の合計が所定の閾値Ｗｔｈ以下であるか否かが判定される（Ｓ１０）。
【００４２】
ここで、閾値Ｗｔｈは、外部負荷が最大になるときの最大負荷の１／２である。負荷が所定の閾値Ｗｔｈ以下である場合には（Ｓ１０のＹｅｓ）、燃料電池モジュール２０ａの温度Ｔ１が所定の閾値Ｔｔｈ以下であるか、あるいは、燃料電池モジュール２０ｂの温度Ｔ２が所定の閾値Ｔｔｈ以下であるかが判定される（Ｓ２０）。なお、閾値Ｔｔｈは、各燃料電池モジュール２０においてフラッディングが生じるおそれがある温度であり、たとえば、外部雰囲気温度が２５℃の場合は、３５℃である。この閾値Ｔｔｈは、外部雰囲気温度に応じて変化する。
【００４３】
燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂの少なくとも一方の温度が所定の閾値Ｔｔｈ以下である場合には（Ｓ２０のＹｅｓ）、燃料電池モジュール２０ａと燃料電池モジュール２０ｂとが交互に切り替えられて外部負荷に接続した状態で燃料電池システム１０が運転（以下、切替運転という）される（Ｓ３０）。切替運転時に、燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂを切り替えるタイミングは、たとえば、一方の燃料電池モジュール２０を外部負荷に接続したときの経過時間が一定時間に達したタイミングであり、５〜３００秒である。
【００４４】
一方、外部負荷が所定の閾値Ｗｔｈを超えた場合（Ｓ１０のＮｏ）や、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂの両方の温度が所定の閾値Ｔｔｈを超えた場合（Ｓ２０のＮｏ）には、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂの両方が外部負荷に接続される（Ｓ４０）。
【００４５】
図６は、燃料電池モジュールのＩ−Ｖ特性、Ｉ−Ｐ特性、温度の電流依存性および生成水の電流依存性を示すグラフである。全ての燃料電池モジュールが常に外部負荷に接続されている場合には、外部負荷に応じて燃料電池モジュールの電流が大きく変化する。最大負荷の１／２の負荷の場合における燃料電池モジュールの電流Ｉ２は、最大負荷の場合における電流Ｉ１の１／２になる。このように、燃料電池モジュールの電流が外部負荷に依存して変化すると、電流に依存して燃料電池モジュールの温度および生成水の量が大きく変化することがわかる。これに対して、上述した切替運転を行う場合には、最大負荷の１／２の負荷の場合における個々の燃料電池モジュールの電流Ｉ２’を最大負荷時の電流Ｉ１と同等にすることができるため、最大負荷時と低負荷時とで、燃料電池モジュールの温度および生成水の量を同等に維持することができる。
【００４６】
（動作例１の説明）
図７は、燃料電池システムの動作例１を示すタイミングチャートである。図７（Ａ）は、外部負荷の時間変化を示す。図７（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂの接続状態（オンオフの状態変化）を示す。図７（Ｄ）は、各燃料電池モジュールの電力の変化を示す。なお、本例では、システムに二次電池５０と二次電池制御回路５２がない場合を示す。
【００４７】
初期状態（時刻ｔ０）において、外部負荷は生じておらず、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂの温度（周囲の温度）は、それぞれ閾値Ｔｔｈ以下である。この状態では、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂは、ともに発電を行っておらず、外部負荷からも切り離されている。
【００４８】
時刻ｔ１において、外部負荷が起動する。このときの外部負荷は低負荷であり、所定の閾値Ｗｔｈ以下である。時刻ｔ１を基点として、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂで発電が開始される。この状態では、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂの温度は、ともに閾値Ｔｔｈ以下の状態が継続している。このため、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂが交互に外部負荷に接続される。すなわち、外部負荷に見合う電力が燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂのいずれか一方の発電により賄われている。
【００４９】
時刻ｔ２において、燃料電池モジュール２０ａの温度が閾値Ｔｔｈより高くなるが、燃料電池モジュール２０ｂの温度が閾値Ｔｔｈ以下であるため、引き続き、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂが交互に外部負荷に接続される。
【００５０】
時刻ｔ３において、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂの温度が、ともに閾値Ｔｔｈより高くなる。このため、時刻ｔ３を基点として、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂの両方が外部負荷に接続される。すなわち、この状態では、外部負荷に見合う電力が燃料電池モジュール２０ａによる発電と燃料電池モジュール２０ｂによる発電により分担され、個々の燃料電池モジュール２０に対する負荷が軽減されている。
【００５１】
時刻ｔ４において、外部負荷が停止すると、燃料電池モジュール２０ａおよび燃料電池モジュール２０ｂが外部負荷から切り離される。
【００５２】
次に、時刻ｔ５において、外部負荷が所定の閾値Ｗｔｈより高い高負荷状態（最大負荷）で起動する。この場合には、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂの両方が外部負荷に接続され、外部負荷に見合う電力が燃料電池モジュール２０ａによる発電と燃料電池モジュール２０ｂによる発電により分担される。このときの燃料電池モジュール２０に流れる電流は、低負荷時の切替運転時に燃料電池モジュール２０に流れる電流と同等である。
【００５３】
（実施例）
図８と図９は、本実施の効果を示すグラフである。燃料電池システムが２つの燃料電池モジュールで構成されており、温度２０℃、湿度５０％ＲＨの環境条件で定格出力電力の半分の出力電力で動作させたときのデータをそれぞれ図８と図９で示す。図８は、従来の制御方法であり、２つの燃料電池モジュールを負荷に接続した場合を示す。図９は、動作例１の接続方法で、２つの燃料電池モジュールを負荷に１分間毎に交互で接続した場合を示す。
【００５４】
図８と図９を比較すると、システム運転開始３０分で燃料電池モジュールの平均表面温度が従来例の制御方法で２３度、動作例１の制御方法で２６度となり、３℃の温度差が生じた。また、従来例では燃料電池モジュールには表面に生成水の結露が生じていたが、動作例１では生成水の結露は生じなかった。動作例１では温度２０℃、湿度５０％ＲＨの環境条件でのみ試験を行ったが、さらに低温、高湿度の環境条件で試験を行えば、従来例ではフラッディングにより燃料電池の運転が不安定になった可能性がある。動作例１では、環境条件が変わった場合でも燃料電池の分割数を増やすことにより、安定して動作する環境条件の範囲が広がる。このことを説明するために、外部環境の温度変化と湿度変化に対する燃料電池システムでのドライアウトとフラッディングについて説明する。図１０は、ドライアウト温度Ｔ４およびフラッディング温度Ｔ１の湿度依存性を示すグラフである。ドライアウト温度Ｔ４およびフラッディング温度Ｔ１は、湿度の上昇に伴い上昇する。このように、燃料電池のドライアウトおよびフラッディング開始温度は湿度に依存して変化し、たとえば、高湿度条件ではフラッディング温度Ｔ３が高くなるため、フラッディングしやすくなる。このため、外部環境の湿度変化に応じた温度制御が必要となる。図１０のグラフは一例であり、燃料電池システムの出力に応じて変化する。
【００５５】
図１０において、温度Ｔ４’は、ドライアウト温度Ｔ４の下限値（低湿度条件、たとえば、湿度２０％におけるドライアウト温度）である。また、温度Ｔ３’は、フラッディング温度Ｔ３の上限値（高湿度条件、たとえば、湿度８０％におけるフラッディング温度）である。図１０に示すように、温度Ｔ３’から温度Ｔ４’の温度範囲では、湿度が変化してもドライアウトおよびフラッディングのいずれも生じない。このため、温度Ｔ３’から温度Ｔ４’の温度範囲は、燃料電池が湿度に依存せず安定的に発電可能な温度範囲である。動作例１の制御を行なうことによって、湿度に依存せずに安定的に発電可能な温度範囲が広がる。
【００５６】
（動作例２の説明）
図１１は、燃料電池システムの動作例２を示すタイミングチャートである。図１１（Ａ）は、外部負荷の時間変化を示す。図１１（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂの接続状態（オンオフの状態変化）を示す。図１１（Ｄ）は、各燃料電池モジュールの電力の変化を示す。
【００５７】
動作例１と動作例２との違いは、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの燃料電池モジュール２０ａ，燃料電池モジュール２０ｂの切替運転の区間において、燃料電池モジュール２０ａと燃料電池モジュール２０ｂとが切り替わるときに、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂの両方が外部負荷に接続される区間Ｓが存在することである。これにより、各燃料電池モジュール２０における急激な負荷変動が抑制されるため、各単セルまたは燃料電池モジュール２０の劣化を防ぐことが可能となる。また、これにより、各燃料電池モジュール２０の出力を安定化させることができる。また、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂの切り替え動作をよりスムースに行うことができる。
【００５８】
以上説明した燃料電池システムによれば、外部負荷に応じて、外部負荷に接続されている燃料電池モジュールの数を変化させることにより、外部負荷が変動しても、各燃料電池モジュール２０に流れる電流の値を同等にすることができる。この結果、燃料電池モジュール２０の温度が一定の範囲内で推移することでドライアウトや生成水の結露が抑制され、ひいては燃料電池システム１０の発電動作をより安定化させることができる。
【００５９】
また、外部負荷が小さいときに燃料電池モジュール２０の外部負荷への接続を順に切替えることにより、各燃料電池モジュール２０で発生した生成水が蒸発する時間を与えることが可能となる。また、切替運転を行うことで各単セルの面内の温度分布を均一にすることができる。
【００６０】
本実施の形態の燃料電池システムは、循環ポンプや加湿器等の補機類を用いずにパッシブ方式で空気（酸素）をカソードに供給し、反応により消費した燃料（水素）を補うように燃料を補給するデッドエンド方式で燃料をアノードに供給する場合に有効である。
【００６１】
なお、アクティブ方式(空気や燃料を外部動力を使って供給する方式)の燃料電池システムにおいては、電流負荷のオンオフに応じて、燃料や空気の供給を個々の燃料電池モジュールごとにオンオフすることにより、パッシブ方式の燃料電池システムと同様な効果を得ることができる。
【００６２】
（燃料電池システムの第２の動作フロー）
図１２は、実施の形態に係る燃料電池システム１０の動作を示す第２のフローチャートである。本動作におけるＳ１０、Ｓ２０、Ｓ３０およびＳ４０の各処理は、燃料電池システム１０の第１の動作と同様である。本動作においては、Ｓ４０において燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂの両方を負荷に接続した後、各燃料電池モジュールの温度Ｔ１、Ｔ２からそれぞれ平均値を引いて得られる差分Ｓ１、Ｓ２が閾値Ｓｔｈより大きいか否かが判定される（Ｓ５０）。平均値とは、燃料電池モジュール２０ａの温度Ｔ１と燃料電池モジュール２０ｂの温度Ｔ２の平均値である。上記差分が閾値Ｓｔｈ以下である場合には（Ｓ５０のＮｏ）、Ｓ１０の処理に戻る。一方、上記差分が閾値Ｓｔｈより大きい場合には（Ｓ５０のＹｅｓ）、該当する燃料電池モジュールの制限電流値Ｉを決定する（Ｓ６０）。制限電流値Ｉの決定方法として、たとえば、電流制御の対象となる燃料電池モジュールの温度と平均値との差分に応じて制限電流値Ｉをメモリ等に予め設定しておくことが挙げられる。続いて、電流制御の対象となる燃料電池モジュールに対応して設けられたスイッチを連続的にオンオフすることにより、該当する燃料電池モジュールに流れる電流が制限電流値Ｉになるように制御する（Ｓ７０）。電流が制御された燃料電池モジュールは、発電量の減少に伴い、発熱量が減少し、ひいては、温度の上昇速度が鈍るか、温度が下降する。一方、電流制御がされない燃料電池モジュールは、電流制御された燃料電池の出力を賄うために発電量が増加する。これにより、電流制御がされない燃料電池モジュールの発熱量が増加し、温度も上昇する。この結果、各燃料電池モジュールの温度差が低減される。電流制御を所定時間（たとえば、１秒）実施した後、各燃料電池モジュールの温度から平均値を引いて得られる差分が閾値Ｓｔｈ以下であるか否かが判定される（Ｓ８０）。差分が閾値Ｓｔｈ以下である場合（Ｓ８０のＹｅｓ）には、Ｓ１０の判定に戻る。一方、差分が閾値Ｓｔｈより大きい場合（Ｓ８０のＮｏ）には、Ｓ７０に戻り、引き続き電流制御が行われる。
【００６３】
なお、本フローチャートでは、燃料電池モジュールの数が２であるが、燃料電池モジュールの数が３以上の場合にも本動作が適用されうる。この場合には、Ｓ５０の判断における平均値は、３以上の燃料電池モジュールの温度の平均値であり、各燃料電池モジュールについて、Ｓ５０〜Ｓ８０のステップが実施される。
【００６４】
（動作例３の説明）
図１３は、燃料電池システムの動作例３を示すタイミングチャートである。図１３（Ａ）は、外部負荷の時間変化を示す。図１３（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂの接続状態（オンオフの状態変化）を示す。図１３（Ｄ）は、各燃料電池モジュールの電力の変化を示す。
【００６５】
図１３は、負荷＞閾値Ｗｔｈ（Ｓ１０のＮｏ）の場合の動作を示す。初期状態（時刻ｔ０）において、外部負荷は生じておらず、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂの温度（周囲の温度）は、それぞれ閾値Ｔｔｈ以下である。この状態では、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂは、ともに発電を行っておらず、外部負荷からも切り離されている。
【００６６】
時刻ｔ１において、外部負荷が起動する。このときの外部負荷は高負荷であり、所定の閾値Ｗｔｈより高い。時刻ｔ１を基点として、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂで発電が開始され、外部負荷に見合う電力が燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂの両方の発電により賄われる。
【００６７】
時刻ｔ２において、燃料電池モジュール２０ａの温度Ｔ１から平均値を引いた差分Ｓ１が閾値Ｓｔｈより高くなると、燃料電池モジュール２０ａの負荷を瞬間的（数１００Ｈｚ〜数ＭＨｚ）にオンオフすることにより、燃料電池モジュール２０ａの電流を制限電流値Ｉとする。なお、燃料電池モジュール２０ａの電流を制御する場合には、燃料電池モジュール２０ａのオンオフのDuty比を所定の値にすればよい。燃料電池モジュール２０ａの電流が制御されている間、燃料電池モジュール２０ａの出力を補うために、燃料電池モジュール２０ｂの電流値が増加する。燃料電池モジュール２０ａの電流が制御されている間、燃料電池モジュール２０ｂの出力は燃料電池モジュール２０ａの出力に比べて大きくなる。ｔ２以降、電流制御される燃料電池モジュール２０ａの温度上昇が鈍り、電流制御されない燃料電池モジュール２０ｂの温度上昇が増大し、両者の温度差が低減される。
【００６８】
時刻ｔ３において、燃料電池モジュール２０ａの温度Ｔ１から平均値を引いた差分Ｓ１が閾値Ｓｔｈ以下になると、燃料電池モジュール２０ａの電流制御が解除される。以降、時刻ｔ４において一方の燃料電池モジュールの電流制御が開始され、時刻ｔ５で電流制御が解除される。
【００６９】
（燃料電池システムの第３の動作フロー）
図１４は、実施の形態に係る燃料電池システム１０の第３の動作を示すフローチャートである。本動作におけるＳ１０、Ｓ２０、Ｓ３０およびＳ４０の各処理は、燃料電池システム１０の第１の動作と同様である。本動作においては、Ｓ４０において燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂの両方を負荷に接続した後、最大温度Ｔｍａｘ−最小温度Ｔｍｉｎが閾値Ｕｔｈより大きいか否かが判定される（Ｓ５０）。なお、最大温度Ｔｍａｘとは、複数の燃料電池モジュールの中で、温度が最大となる燃料電池モジュールの温度であり、最小温度Ｔｍｉｎとは、複数の燃料電池モジュールの中で、温度が最小となる燃料電池モジュールの温度である。本フローでは、燃料電池モジュール２０ａの温度が最大温度Ｔｍａｘであり、燃料電池モジュール２０ｂの温度が最小温度Ｔｍｉｎである。最大温度Ｔｍａｘ−最小温度Ｔｍｉｎが閾値Ｕｔｈ以下である場合には（Ｓ５０のＮｏ）、Ｓ１０の処理に戻る。一方、最大温度Ｔｍａｘ−最小温度Ｔｍｉｎが閾値Ｕｔｈより大きい場合には（Ｓ５０のＹｅｓ）、温度が所定順位内の燃料電池モジュールの制限電流値Ｉを決定する（Ｓ６０）。たとえば、本フローのように、燃料電池モジュールの数が２である場合には、温度が高い方の燃料電池モジュールの制限電流値Ｉが決定される。また、燃料電池モジュールの数がｎ（ｎは３以上）である場合には、温度が高い順番（１以上ｎ−１）までの燃料電池モジュールの制限電流値Ｉが決定される。続いて、電流制御の対象となる燃料電池モジュールに対応して設けられたスイッチを連続的にオンオフすることにより、該当する燃料電池モジュールに流れる電流が制限電流値Ｉになるように制御する（Ｓ７０）。電流が制御された燃料電池モジュールは、発電量の減少に伴い、発熱量が減少し、ひいては、温度の上昇速度が鈍るか、温度が下降する。一方、電流制御がされない燃料電池モジュールは、電流制御された燃料電池の出力を賄うために発電量が増加する。これにより、電流制御がされない燃料電池モジュールの発熱量が増加し、温度も上昇する。この結果、各燃料電池モジュールの温度差が低減される。電流制御を所定時間（たとえば、１秒）実施した後、最大温度Ｔｍａｘ−最小温度Ｔｍｉｎが閾値Ｕｔｈ以下であるか否かが判定される（Ｓ８０）。差分が閾値Ｕｔｈ以下である場合（Ｓ８０のＹｅｓ）には、Ｓ１０の判定に戻る。一方、差分が閾値Ｕｔｈより大きい場合（Ｓ８０のＮｏ）には、Ｓ７０に戻り、引き続き電流制御が行われる。
【００７０】
以上説明した、第２および第３のフローチャートに従う動作によれば、燃料電池モジュールの温度にばらつきが生じた場合に温度差を小さくし、燃料電池モジュールの温度を均一化することができる。これにより、燃料電池モジュールを個別に冷却する機構、制御をする必要がなくなるため、燃料電池システムの構成を簡便化することができる。
【００７１】
（変形例１）
外部負荷に並列接続される燃料電池モジュールの数は２個に限られず、３個以上であってもよい。たとえば、図１５に示すように、変形例１に係る燃料電池システム１０は、４個の燃料電池モジュール２０ａ〜ｄを備える。４個の燃料電池モジュール２０ａ〜ｄが外部負荷に並列接続される場合には、燃料電池モジュール２０のを切替運転を行う場合に、外部負荷に同時に接続する燃料電池モジュール２０の数を１、２、３のいずれかに設定することができる。外部負荷に同時に接続する燃料電池モジュール２０の数が１、２、３の場合に適した外部負荷は最大負荷に対して、それぞれ２５％、５０％、７５％である。
【００７２】
【表１】
【００７３】
表１は、外部負荷に並列接続される燃料電池モジュール２０の数が４個の場合に、５０％負荷に対応して切替運転するときの各燃料電池モジュール２０の接続状態を示す。表１において、「ＯＮ」は外部負荷に接続されていることを示し、「ＯＦＦ」は外部負荷から切り離されていることを示す。切替運転時の接続状態は、接続状態１→接続状態２→接続状態３→接続状態４→接続状態１の順で繰り返し推移する。各接続状態において、４個の燃料電池モジュール２０のうち、２個の燃料電池モジュール２０が外部負荷に接続されている。このため、個々の燃料電池モジュール２０に対する負荷は２５％負荷となり、最大負荷時における個々の燃料電池モジュール２０に対する負荷と同等となる。すなわち、個々の燃料電池モジュール２０の電流密度は、負荷が変動しても一定の値に維持される。この結果、燃料電池モジュール２０の温度が一定の範囲内で推移することでドライアウトや生成水の結露が抑制され、ひいては燃料電池システム１０の発電動作をより安定化させることができる。
【００７４】
負荷に電気的に並列接続される燃料電池モジュールの数をｎに一般化すると、少なくとも１つの燃料電池モジュールの温度が所定の温度以下の場合に、負荷に応じて、負荷に同時に接続される燃料電池モジュールの数をｍ／ｎ［ｍ＝１、２、・・・、ｎ−１］に設定して、切替運転を実行することができる。より具体的には、負荷が最大負荷を基準としてｍ／ｎ以下になった場合に、負荷に同時に接続される燃料電池モジュールの数がｍになるように接続切替手段を用いて負荷に接続される燃料電池モジュールが順に切り替えられる。
【００７５】
（変形例２）
上述した実施の形態および変形例では、複数の燃料電池モジュールが平面状に配列されているが、燃料電池モジュールの配列の形態はこれに限られない。図１６は、変形例２に係る燃料電池システムの概略構成を示す分解斜視図である。図１７は、変形例２に係る燃料電池システムの概略構成を示す要部断面図である。
【００７６】
本変形例では、隣接する燃料電池モジュール２０の主表面が互いに向かい合うように複数の燃料電池モジュールが並設されている。本変形例の燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール２０の配列の仕方が異なるが、動作に関しては上述した実施の形態の燃料電池システム１０と同様である。
【００７７】
２組の燃料電池モジュール２０に対応して、燃料供給プレート７０から上方に突出する燃料供給プレート７１が設けられている。各燃料供給プレート７１の内部には燃料流路７２と連通する燃料流路７３が設けられている。燃料供給プレート７１の両主表面には、それぞれ、燃料流路７３の出口となる開口部７５が設けられている。
【００７８】
燃料供給プレート７１の両主表面にアノード側が向くようにそれぞれ燃料電池モジュール２０が設けられている。燃料電池モジュール２０を構成する電解質膜２０２の周囲と燃料供給プレート７１との間にパッキン２１３が設けられており、燃料供給プレート７１と燃料電池モジュール２０のアノード側との間に水素を閉じ込めるアノード空間３１０が形成されている。
【００７９】
水素は、燃料流路７２から各燃料流路７３に分配され、燃料供給プレート７１の両主表面に配設された２組の燃料電池モジュール２０のアノード触媒層２０６に供給される。
【００８０】
上側筐体８０ａの上面および側面に空気取込口８２が設けられている。空気取込口８２から流入した空気は多孔質体９０を通過して、各燃料電池モジュール２０のカソード触媒層２０４に供給される。
【００８１】
以上説明した本変形例の燃料電池システムに実施の形態の燃料電池システムの動作を適用することにより、複数の燃料電池モジュール２０の主表面が互いに向かい合うように配列された構造においても実施の形態の燃料電池システムと同様な効果が得られる。
【００８２】
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【００８３】
たとえば、上述の実施の形態では、各燃料電池モジュールは複数のセルで構成させているが、各燃料電池モジュールは単セルで構成されていてもよい。この場合には、電圧調整回路を設け、切替運転時に外部負荷の電圧に応じて各燃料電池モジュールの出力電圧を昇圧させることにより、外部負荷を駆動させることができる。
【符号の説明】
【００８４】
１０ 燃料電池システム、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ 燃料電池モジュール、３０ 燃料カートリッジ、４０ 制御部、５０ 二次電池、６０、レギュレータ、７０ 燃料供給プレート、２００ 膜電極接合体、２０２ 電解質膜、２０４ カソード触媒層、２０６ アノード触媒層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。より具体的には、本発明は平面配列型の燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は水素と酸素とから電気エネルギーを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギーや運動エネルギーの過程を経ない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できること、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いことなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギーを有効に利用でき、環境にやさしい特性を持っているので、２１世紀を担うエネルギー供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。
【０００３】
中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴が有り、特に近年、携帯機器（携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、ＭＰ３プレーヤ、デジタルカメラあるいは電子辞書、電子書籍）などの電源への利用が期待されている。携帯機器用の固体高分子形燃料電池としては、複数の単セルを平面状に配列した平面配列型の燃料電池が知られている（特許文献１参照）。燃料としては、特許文献１に示したメタノールの他、水素吸蔵合金や水素ボンベに格納された水素を利用することが研究されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２４４７１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
周囲環境の変化や負荷電力変動により燃料電池の熱バランスが変化することにより、燃料電池に温度変化が生じる。負荷電力が大きい場合には、燃料電池の温度が高くなることにより、燃料電池の電解質膜が乾燥して性能が低下することが考えられる。特に、同一平面状にセルが配置された平面配列型の燃料電池においては、大気に開放される面が大きいために電解質膜が乾燥しやすくなる。乾燥を防ぐために燃料電池の空気極(カソード)側を覆う多孔質体(空気/水蒸気の流通部)を用いる構成が知られている。しかし、多孔質体の開孔率はドライアウトを防止することを目的として設計されるために、負荷電力が低い場合には生成水と熱とのバランスの関係で発熱が十分でなくなり、生成水が結露しやすくなるという問題(フラッディング)が生じる課題があった。
【０００６】
また、各燃料電池モジュール間で性能にばらつきがある場合には、並列接続したときに最も性能の高い燃料電池モジュールでは燃料電池の温度が高くなり、最も性能の低い燃料電池モジュールでは燃料電池の温度が低くなる。このため、発電時(特に最大出力時)では燃料電池の温度差が大きくなり、温度の高い燃料電池ではドライアウトが発生する場合がある。また、個別に冷却制御が可能な冷却システムが必要である場合がある。
【０００７】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、負荷電力変動が生じた場合であっても、発電動作を安定的に実行することができる燃料電池システムの提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある態様は、燃料電池システムである。当該燃料電池システムは、負荷に対して電気的に並列接続されているｎ個［ｎは２以上の整数］の燃料電池モジュールと、各燃料電池モジュールと負荷との接続状態を切り替え可能な接続切替手段と、少なくとも１つの燃料電池モジュールの温度が所定の温度以下の場合に、負荷電力に応じて、負荷に同時に接続される燃料電池モジュールの数がｍ［ｍ＝１、２、・・・、ｎ−１］になるように接続切替手段を用いて負荷に接続される燃料電池モジュールを切り替える切替運転を実行させる制御部と、を備えることを特徴とする。ここで、負荷とは、外部負荷(アプリケーション)と二次電池負荷(燃料電池システム内に内蔵されている二次電池)の和のことを指す。
【０００９】
この態様によれば、負荷電力に応じて、負荷に接続されている燃料電池モジュールの数を変化させたり、負荷に接続される燃料電池モジュールを異ならせたりすることにより、負荷が変動しても、各燃料電池モジュールに流れる電流の値を同等にすることができる。この結果、燃料電池モジュールの温度が一定の範囲内で推移することでドライアウトや生成水の結露が抑制され、ひいては燃料電池システムの発電動作をより安定化させることができる。
【００１０】
上記態様の燃料電池システムにおいて、ｎ個の燃料電池モジュールが平面状に配列されていてもよい。また、隣接する燃料電池モジュールの主表面が互いに向かい合うようにｎ個の燃料電池モジュールが並設されていてもよい。
【００１１】
上記態様の燃料電池システムにおいて、制御部は、一定時間経過毎に、負荷に接続される燃料電池モジュールの組み合わせを切り替えてもよい。また、制御部は、各燃料電池モジュールの温度がいずれも所定の温度より高くなった場合に、ｎ個の燃料電池モジュールを負荷に接続させてもよい。また、制御部は、切替運転の際に、負荷に接続する対象となる燃料電池モジュールを負荷に接続し、所定の時間経過後に、負荷から切り離す対象となる燃料電池モジュールを負荷から切り離す処理を実行させてもよい。また、制御部は、負荷電力が最大のｍ／ｎ以下になった場合に、負荷に同時に接続される燃料電池モジュールの数がｍになるように接続切替手段を用いて負荷に接続される燃料電池モジュールを順に切り替える切替運転を実行させてもよい。
【００１２】
また、上述した態様の燃料電池システムにおいて、制御部は、特定の燃料電池モジュールの温度が各燃料電池モジュールの温度の平均値に対して所定の値より大きい場合に、当該燃料電池モジュールの温度に応じて当該燃料電池モジュールの電流を制限してもよい。また、上述した態様の燃料電池システムにおいて、制御部は、全燃料電池モジュールの温度の中で最大温度と最小温度との差が所定値より大きい場合に、全燃料電池モジュールの中で温度が高い順に１つあるいは複数の燃料電池モジュールについて、その温度に応じて当該燃料電池モジュールの電流を制限してもよい。
【００１３】
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池システムによれば、負荷電力の変動が生じた場合であっても、負荷電力に応じた発電を行うように燃料電池モジュールの接続数を切替えることができ、燃料電池モジュールの分割数や同時に接続する燃料電池モジュールの接続数を増やすことによって、より広範囲の負荷の範囲で発電動作を安定的に実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す分解斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った断面の要部断面図である。
【図３】実施の形態に係る燃料電池システムにおける燃料供給経路を示すブロック図である。
【図４】実施の形態に係る燃料電池システムの回路構成を示す回路図である。
【図５】実施の形態に係る燃料電池システムの動作を示す第１のフローチャートである。
【図６】燃料電池モジュールのＩ−Ｖ特性、Ｉ−Ｐ特性、温度の電流依存性および生成水の電流依存性を示すグラフである。
【図７】実施の形態に係る燃料電池システムの動作例１を示すタイミングチャートである。図７（Ａ）は、負荷電力の時間変化を示す。図７（Ｂ）、（Ｃ）は、各燃料電池モジュールの接続状態（オンオフの状態変化）を示す。図７（Ｄ）は、各燃料電池モジュールの電力の変化を示す。
【図８】従来の制御方法における、燃料電池システムの温度変化を示すグラフである。
【図９】動作例１の制御方法における、燃料電池システムの温度変化を示すグラフである。
【図１０】ドライアウト温度およびフラッディング温度の湿度依存性を示すグラフである。
【図１１】実施の形態に係る燃料電池システムの動作例２を示すタイミングチャートである。図１１（Ａ）は、負荷電力の時間変化を示す。図１１（Ｂ）、（Ｃ）は、各燃料電池モジュールの接続状態（オンオフの状態変化）を示す。図１１（Ｄ）は、各燃料電池モジュールの電力の変化を示す。
【図１２】実施の形態に係る燃料電池システムの動作を示す第２のフローチャートである。
【図１３】図１３は、燃料電池システムの動作例３を示すタイミングチャートである。図１３（Ａ）は、負荷電力の時間変化を示す。図１３（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂの接続状態（オンオフの状態変化）を示す。図１３（Ｄ）は、各燃料電池モジュールの電力の変化を示す。
【図１４】実施の形態に係る燃料電池システムの動作を示す第３のフローチャートである。
【図１５】変形例１に係る燃料電池システムの概略構成を示す分解斜視図である。
【図１６】変形例２に係る燃料電池システムの概略構成を示す分解斜視図である。
【図１７】図１６のＡ−Ａ線に沿った断面の要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１７】
（実施の形態）
図１は、実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す分解斜視図である。図２は、実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す要部断面図である。燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂ（以下、燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂを総称して燃料電池モジュール２０と呼ぶ場合がある）、燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂに供給される水素を貯蔵する水素吸蔵合金カートリッジ（以下、単に「燃料カートリッジ」という）３０、制御部４０、二次電池５０、燃料カートリッジ３０内の水素を燃料電池モジュール２０に供給するための関連部材（レギュレータ６０、燃料供給プレート７０など）、ならびに、以上の部材の収容するための上側筐体８０ａおよび下側筐体８０ｂを備える。
【００１８】
図２に示すように、各燃料電池モジュール２０は、主に、膜電極接合体２００、カソードハウジング２１０およびアノードハウジング２２０を備える。
【００１９】
膜電極接合（単セル）２００は、電解質膜２０２と、電解質膜２０２の一方の面に離間して配設されている複数のカソード触媒層２０４と、電解質膜２０２の他方の面にカソード触媒層２０４に対応して配設されているアノード触媒層２０６とを含む。本実施の形態では、複数のカソード触媒層２０４が電解質膜２０２の一方の面に離間して配設されており、カソード触媒層２０４にそれぞれ対応して、複数のアノード触媒層２０６が電解質膜２０２の他方の面に離間して配設されている。
【００２０】
電解質膜２０２は、湿潤状態において良好なイオン伝導性を示すことが好ましく、カソード触媒層２０４とアノード触媒層２０６との間でプロトンを移動させるイオン交換膜として機能する。電解質膜２０２は、含フッ素重合体や非フッ素重合体等の固体高分子材料によって形成され、例えば、スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体、ポリサルホン樹脂、ホスホン酸基又はカルボン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体等を用いることができる。スルホン酸型パーフルオロカーボン重合体の例として、ナフィオン（デュポン社製：登録商標）１１２などが挙げられる。また、非フッ素重合体の例として、スルホン化された、芳香族ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホンなどが挙げられる。電解質膜２０２の厚さは、たとえば１０〜２００μｍである。
【００２１】
カソード触媒層２０４は、電解質膜２０２の一方の面に形成されている。カソード触媒層２０４には、上側筐体８０ａに設けられた空気取込口８２およびカソードハウジング２１０に設けられた開口２１２を経由して外部から空気が供給される。また、アノード触媒層２０６は、電解質膜２０２の他方の面に形成されている。アノード触媒層２０６には、燃料カートリッジ３０から放出された水素が供給される。一対のカソード触媒層２０４とアノード触媒層２０６との間に電解質膜が２０２が狭持されることにより単セルが構成され、単セルは水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する。
【００２２】
カソード触媒層２０４およびアノード触媒層２０６は、それぞれイオン交換樹脂ならびに触媒粒子、場合によって炭素粒子や炭素繊維を有する。
【００２３】
カソード触媒層２０４およびアノード触媒層２０６が有するイオン交換樹脂は、触媒粒子と電解質膜２０２とを接続し、両者間においてプロトンを伝達する役割を持つ。このイオン交換樹脂は、電解質膜２０２と同様の高分子材料から形成されてよい。触媒金属としては、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｏｓ、Ｉｒ、ランタノイド系列元素やアクチノイド系列の元素の中から選ばれる合金や単体が挙げられる。また触媒を担持する場合には炭素粒子として、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブなどを用いてもよい。なお、カソード触媒層２０４およびアノード触媒層２０６の厚さは、それぞれ、たとえば１０〜４０μｍである。
【００２４】
電解質膜２０２のカソード側に、カソード触媒層２０４を覆うように、多孔質体９０が形成されている。多孔質体９０の材料は、たとえば、フッ素樹脂である。カソード触媒層２０４の上に多孔質体９０を形成することにより、外部からカソード触媒層２０４への空気および水蒸気の流通を確保しつつ、各単セルにおいてドライアウトが発生することを抑制することができる。多孔質体９０の空孔率は、各単セルの乾燥を抑制する範囲で設計される。
【００２５】
隣接する単セルのうち、一方の単セルのアノード触媒層２０６と他方の単セルのカソード触媒層２０４とをインターコネクターなどの電気接続部材（図示せず）を用いて電気的に接続することにより、複数の単セルが直列に接続されている。
【００２６】
電解質膜２０２の外縁部に沿って、カソードハウジング２１０の側壁の縁とアノードハウジング２２０の側壁の縁とが向かい合わせになることで、燃料電池モジュール２０の筐体が形成されている。
【００２７】
カソードハウジング２１０には、燃料電池モジュール２０のカソード触媒層２０４に対向する面に開口２１２が設けられている。上側筐体８０ａに設けられている空気取込口８２、カソードハウジング２１０に設けられている開口２１２、多孔質体９０を経由して、燃料電池モジュール２０のカソード触媒層２０４に空気が供給される。なお、開口２１２の周縁のカソードハウジング２１０により多孔質体９０の周縁部が保持されており、カソード触媒層２０４と多孔質体９０との密着性の向上が図られている。
【００２８】
電解質膜２０２と対向するアノードハウジング２２０の面は、アノード触媒層２０６から離間して設けられており、アノード触媒層２０６とアノードハウジング２２０との間に、燃料ガス室２３０が形成されている。アノードハウジング２２０には、燃料電池モジュール２０のアノード触媒層２０６に対向する面に燃料取込口２１４が設けられている。燃料カートリッジ３０から供給された水素は、燃料取込口２１４を経由して、燃料ガス室２３０に導入され、各単セルの発電に用いられる。なお、アノードハウジング２２０の側壁の縁と、電解質膜２０２の外縁部との間にはパッキン２１３が配設されており、燃料ガス室２３０の気密性が高められている。
【００２９】
隣接する燃料電池モジュール２０の間、言い換えると、燃料電池モジュール２０の区画の境界部分に、断熱材を配置することが望ましい。これによれば、発電中の燃料電池モジュール２０から発電を停止している燃料電池モジュール２０に熱が逃げにくくなるため、後述する効果をより発揮させることができる。
【００３０】
図３は、実施の形態に係る燃料電池システムにおける燃料供給経路を示すブロック図である。
【００３１】
燃料充填口６２に補給用の水素を貯蔵する外部ボンベ（図示せず）を接続することにより、燃料カートリッジ３０内の水素吸蔵合金に水素を補充することができる。なお、燃料充填口６２と燃料カートリッジ３０との間の配管には逆止弁６３が設けてあり、燃料カートリッジ３０に貯蔵された水素が外部に漏れることが抑制されている。
【００３２】
燃料カートリッジ３０に貯蔵された水素は、レギュレータ６０を介して燃料供給プレート７０に供給される。レギュレータ６０により、外部ボンベから水素吸蔵合金に水素が補充される際や、水素吸蔵合金から水素が放出される際に、燃料供給プレート７０に供給される水素の圧力が低減され、各燃料電池モジュール２０のアノードが保護される。
【００３３】
燃料供給プレート７０には、レギュレータ６０を経由した水素を各燃料電池モジュール２０に分配するための燃料流路７２が設けられている（図２参照）。燃料流路７２の出口は、燃料電池モジュール２０に設けられた燃料取込口２１４に対応して設けられており、燃料流路７２を通過した水素は、燃料流路７２の出口から燃料取込口２１４を経由して、燃料電池モジュール２０の燃料ガス室２３０に導入される。なお、燃料流路７２の出口と燃料取込口２１４との間が密閉空間になるように、燃料電池モジュール２０と燃料供給プレート７０との間にパッキン７４が設けられている。
【００３４】
レギュレータ６０から燃料供給プレート７０への水素の供給は、燃料遮断スイッチ６４により遮断可能である。燃料電池システムを使用しない場合に、燃料遮断スイッチ６４により水素の供給を遮断することにより、燃料電池モジュール２０から微量の水素が散逸することで燃料が消費されることを抑制することができる。また、燃料電池システム１０に異常が発生した場合などに、燃料遮断スイッチ６４により水素の供給を緊急遮断することにより、安全の確保を図ることができる。
【００３５】
図４は、実施の形態に係る燃料電池システムの回路構成を示す回路図である。燃料電池モジュール２０ａと燃料電池モジュール２０ｂとが並列接続されており、接続ノード３００と燃料電池モジュール２０ａの正極との間にスイッチ３１０ａが設けられている。スイッチ３１０ａのオンオフは、制御部４０によって制御されており、スイッチ３１０ａをオンオフさせることにより、燃料電池モジュール２０ａが外部負荷３２０に接続されている状態と外部負荷３２０から切り離されている状態とを切り替えることができる。また、接続ノード３００と燃料電池モジュール２０ｂの正極との間にスイッチ３１０ｂが設けられている。スイッチ３１０ｂのオンオフは、制御部４０によって制御されており、スイッチ３１０ｂをオンオフさせることにより、燃料電池モジュール２０ｂが外部負荷３２０に接続されている状態と外部負荷から切り離されている状態とを切り替えることができる。なお、外部負荷３２０は、携帯機器などの電源負荷である。
【００３６】
燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂの温度は、それぞれ温度センサー２２ａ、２２ｂにより計測される。温度センサー２２ａ、２２ｂにより計測された温度は、それぞれ制御部４０に送信される。なお、温度センサー２２ａにより計測される温度は、燃料電池モジュール２０ａの電解質膜２０２近傍の温度、または燃料電池モジュール２０ａの電解質膜２０２近傍の温度に比例する温度である。同様に、温度センサー２２ｂにより計測される温度は、燃料電池モジュール２０ｂの電解質膜２０２近傍の温度、または燃料電池モジュール２０ｂの電解質膜２０２近傍の温度に比例する温度である。また、温度センサー２２ｚは、外部雰囲気温度を計測している。
【００３７】
燃料電池モジュール２０にて発生した直流電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（変換回路）３３０により所定電圧（たとえば２４Ｖ）の直流電力に変換された後、並列接続された二次電池５０および外部負荷３２０に供給される。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３０により昇圧される所定電圧は、制御部４０によって設定される。
【００３８】
二次電池５０は、たとえば、リチウムイオン二次電池である。二次電池５０の放電または充電は、二次電池制御回路５２によって制御される。
【００３９】
外部負荷３２０の負荷電力を計測するには、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３０の出力電圧が一定である場合は、電流値の計測により負荷電力の算出が可能となる。電流値は、たとえば、シャント抵抗器などの抵抗器の両端の電圧を計測することにより算出が可能である。具体的には、接続ノード３００とＤＣ／ＤＣコンバータ３３０との間に設けられた電流検出器３４０によって計測された電流値が、制御部４０に送信され、送信された電流値に基づいて制御部４０において外部負荷電力の値が算出される。出力電圧が変化する場合には、電流値と電圧値の両方を計測し、それらを演算することにより、外部負荷電力の算出が可能となる。また、二次電池制御回路５２にも同様の電流検出器を設けて、二次電池負荷電力も計測可能であり、外部負荷電力と二次電池負荷電力を合計し、負荷電力の算出が可能となる。
【００４０】
制御部４０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、燃料電池システム１０の運転を制御する。具体的には、制御部４０は、入力された各燃料電池モジュール２０の温度情報、電流検出器３４０で計測された電流値を用いて算出された外部負荷と二次電池制御回路部５５で計測された二次電池の充電時の負荷の値の合計に基づいて、スイッチ３１０ａ、３１０ｂのオンオフを制御する。制御部４０による、スイッチ３１０ａ、３１０ｂのオンオフを制御については後述する。
【００４１】
（燃料電池システムの動作フロー）
図５は、実施の形態に係る燃料電池システム１０の動作を示す第１のフローチャートである。まず、燃料電池システム１０と電気的に接続された外部負荷と二次電池の充電時の負荷の合計が所定の閾値Ｗｔｈ以下であるか否かが判定される（Ｓ１０）。
【００４２】
ここで、閾値Ｗｔｈは、外部負荷が最大になるときの最大負荷の１／２である。負荷が所定の閾値Ｗｔｈ以下である場合には（Ｓ１０のＹｅｓ）、燃料電池モジュール２０ａの温度Ｔ１が所定の閾値Ｔｔｈ以下であるか、あるいは、燃料電池モジュール２０ｂの温度Ｔ２が所定の閾値Ｔｔｈ以下であるかが判定される（Ｓ２０）。なお、閾値Ｔｔｈは、各燃料電池モジュール２０においてフラッディングが生じるおそれがある温度であり、たとえば、外部雰囲気温度が２５℃の場合は、３５℃である。この閾値Ｔｔｈは、外部雰囲気温度に応じて変化する。
【００４３】
燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂの少なくとも一方の温度が所定の閾値Ｔｔｈ以下である場合には（Ｓ２０のＹｅｓ）、燃料電池モジュール２０ａと燃料電池モジュール２０ｂとが交互に切り替えられて外部負荷に接続した状態で燃料電池システム１０が運転（以下、切替運転という）される（Ｓ３０）。切替運転時に、燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂを切り替えるタイミングは、たとえば、一方の燃料電池モジュール２０を外部負荷に接続したときの経過時間が一定時間に達したタイミングであり、５〜３００秒である。
【００４４】
一方、外部負荷が所定の閾値Ｗｔｈを超えた場合（Ｓ１０のＮｏ）や、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂの両方の温度が所定の閾値Ｔｔｈを超えた場合（Ｓ２０のＮｏ）には、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂの両方が外部負荷に接続される（Ｓ４０）。
【００４５】
図６は、燃料電池モジュールのＩ−Ｖ特性、Ｉ−Ｐ特性、温度の電流依存性および生成水の電流依存性を示すグラフである。全ての燃料電池モジュールが常に外部負荷に接続されている場合には、外部負荷に応じて燃料電池モジュールの電流が大きく変化する。最大負荷の１／２の負荷の場合における燃料電池モジュールの電流Ｉ２は、最大負荷の場合における電流Ｉ１の１／２になる。このように、燃料電池モジュールの電流が外部負荷に依存して変化すると、電流に依存して燃料電池モジュールの温度および生成水の量が大きく変化することがわかる。これに対して、上述した切替運転を行う場合には、最大負荷の１／２の負荷の場合における個々の燃料電池モジュールの電流Ｉ２’を最大負荷時の電流Ｉ１と同等にすることができるため、最大負荷時と低負荷時とで、燃料電池モジュールの温度および生成水の量を同等に維持することができる。
【００４６】
（動作例１の説明）
図７は、燃料電池システムの動作例１を示すタイミングチャートである。図７（Ａ）は、外部負荷の時間変化を示す。図７（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂの接続状態（オンオフの状態変化）を示す。図７（Ｄ）は、各燃料電池モジュールの電力の変化を示す。なお、本例では、システムに二次電池５０と二次電池制御回路５２がない場合を示す。
【００４７】
初期状態（時刻ｔ０）において、外部負荷は生じておらず、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂの温度（周囲の温度）は、それぞれ閾値Ｔｔｈ以下である。この状態では、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂは、ともに発電を行っておらず、外部負荷からも切り離されている。
【００４８】
時刻ｔ１において、外部負荷が起動する。このときの外部負荷は低負荷であり、所定の閾値Ｗｔｈ以下である。時刻ｔ１を基点として、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂで発電が開始される。この状態では、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂの温度は、ともに閾値Ｔｔｈ以下の状態が継続している。このため、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂが交互に外部負荷に接続される。すなわち、外部負荷に見合う電力が燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂのいずれか一方の発電により賄われている。
【００４９】
時刻ｔ２において、燃料電池モジュール２０ａの温度が閾値Ｔｔｈより高くなるが、燃料電池モジュール２０ｂの温度が閾値Ｔｔｈ以下であるため、引き続き、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂが交互に外部負荷に接続される。
【００５０】
時刻ｔ３において、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂの温度が、ともに閾値Ｔｔｈより高くなる。このため、時刻ｔ３を基点として、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂの両方が外部負荷に接続される。すなわち、この状態では、外部負荷に見合う電力が燃料電池モジュール２０ａによる発電と燃料電池モジュール２０ｂによる発電により分担され、個々の燃料電池モジュール２０に対する負荷が軽減されている。
【００５１】
時刻ｔ４において、外部負荷が停止すると、燃料電池モジュール２０ａおよび燃料電池モジュール２０ｂが外部負荷から切り離される。
【００５２】
次に、時刻ｔ５において、外部負荷が所定の閾値Ｗｔｈより高い高負荷状態（最大負荷）で起動する。この場合には、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂの両方が外部負荷に接続され、外部負荷に見合う電力が燃料電池モジュール２０ａによる発電と燃料電池モジュール２０ｂによる発電により分担される。このときの燃料電池モジュール２０に流れる電流は、低負荷時の切替運転時に燃料電池モジュール２０に流れる電流と同等である。
【００５３】
（実施例）
図８と図９は、本実施の効果を示すグラフである。燃料電池システムが２つの燃料電池モジュールで構成されており、温度２０℃、湿度５０％ＲＨの環境条件で定格出力電力の半分の出力電力で動作させたときのデータをそれぞれ図８と図９で示す。図８は、従来の制御方法であり、２つの燃料電池モジュールを負荷に接続した場合を示す。図９は、動作例１の接続方法で、２つの燃料電池モジュールを負荷に１分間毎に交互で接続した場合を示す。
【００５４】
図８と図９を比較すると、システム運転開始３０分で燃料電池モジュールの平均表面温度が従来例の制御方法で２３度、動作例１の制御方法で２６度となり、３℃の温度差が生じた。また、従来例では燃料電池モジュールには表面に生成水の結露が生じていたが、動作例１では生成水の結露は生じなかった。動作例１では温度２０℃、湿度５０％ＲＨの環境条件でのみ試験を行ったが、さらに低温、高湿度の環境条件で試験を行えば、従来例ではフラッディングにより燃料電池の運転が不安定になった可能性がある。動作例１では、環境条件が変わった場合でも燃料電池の分割数を増やすことにより、安定して動作する環境条件の範囲が広がる。このことを説明するために、外部環境の温度変化と湿度変化に対する燃料電池システムでのドライアウトとフラッディングについて説明する。図１０は、ドライアウト温度Ｔ４およびフラッディング温度Ｔ１の湿度依存性を示すグラフである。ドライアウト温度Ｔ４およびフラッディング温度Ｔ１は、湿度の上昇に伴い上昇する。このように、燃料電池のドライアウトおよびフラッディング開始温度は湿度に依存して変化し、たとえば、高湿度条件ではフラッディング温度Ｔ３が高くなるため、フラッディングしやすくなる。このため、外部環境の湿度変化に応じた温度制御が必要となる。図１０のグラフは一例であり、燃料電池システムの出力に応じて変化する。
【００５５】
図１０において、温度Ｔ４’は、ドライアウト温度Ｔ４の下限値（低湿度条件、たとえば、湿度２０％におけるドライアウト温度）である。また、温度Ｔ３’は、フラッディング温度Ｔ３の上限値（高湿度条件、たとえば、湿度８０％におけるフラッディング温度）である。図１０に示すように、温度Ｔ３’から温度Ｔ４’の温度範囲では、湿度が変化してもドライアウトおよびフラッディングのいずれも生じない。このため、温度Ｔ３’から温度Ｔ４’の温度範囲は、燃料電池が湿度に依存せず安定的に発電可能な温度範囲である。動作例１の制御を行なうことによって、湿度に依存せずに安定的に発電可能な温度範囲が広がる。
【００５６】
（動作例２の説明）
図１１は、燃料電池システムの動作例２を示すタイミングチャートである。図１１（Ａ）は、外部負荷の時間変化を示す。図１１（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂの接続状態（オンオフの状態変化）を示す。図１１（Ｄ）は、各燃料電池モジュールの電力の変化を示す。
【００５７】
動作例１と動作例２との違いは、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの燃料電池モジュール２０ａ，燃料電池モジュール２０ｂの切替運転の区間において、燃料電池モジュール２０ａと燃料電池モジュール２０ｂとが切り替わるときに、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂの両方が外部負荷に接続される区間Ｓが存在することである。これにより、各燃料電池モジュール２０における急激な負荷変動が抑制されるため、各単セルまたは燃料電池モジュール２０の劣化を防ぐことが可能となる。また、これにより、各燃料電池モジュール２０の出力を安定化させることができる。また、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂの切り替え動作をよりスムースに行うことができる。
【００５８】
以上説明した燃料電池システムによれば、外部負荷に応じて、外部負荷に接続されている燃料電池モジュールの数を変化させることにより、外部負荷が変動しても、各燃料電池モジュール２０に流れる電流の値を同等にすることができる。この結果、燃料電池モジュール２０の温度が一定の範囲内で推移することでドライアウトや生成水の結露が抑制され、ひいては燃料電池システム１０の発電動作をより安定化させることができる。
【００５９】
また、外部負荷が小さいときに燃料電池モジュール２０の外部負荷への接続を順に切替えることにより、各燃料電池モジュール２０で発生した生成水が蒸発する時間を与えることが可能となる。また、切替運転を行うことで各単セルの面内の温度分布を均一にすることができる。
【００６０】
本実施の形態の燃料電池システムは、循環ポンプや加湿器等の補機類を用いずにパッシブ方式で空気（酸素）をカソードに供給し、反応により消費した燃料（水素）を補うように燃料を補給するデッドエンド方式で燃料をアノードに供給する場合に有効である。
【００６１】
なお、アクティブ方式(空気や燃料を外部動力を使って供給する方式)の燃料電池システムにおいては、電流負荷のオンオフに応じて、燃料や空気の供給を個々の燃料電池モジュールごとにオンオフすることにより、パッシブ方式の燃料電池システムと同様な効果を得ることができる。
【００６２】
（燃料電池システムの第２の動作フロー）
図１２は、実施の形態に係る燃料電池システム１０の動作を示す第２のフローチャートである。本動作におけるＳ１０、Ｓ２０、Ｓ３０およびＳ４０の各処理は、燃料電池システム１０の第１の動作と同様である。本動作においては、Ｓ４０において燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂの両方を負荷に接続した後、各燃料電池モジュールの温度Ｔ１、Ｔ２からそれぞれ平均値を引いて得られる差分Ｓ１、Ｓ２が閾値Ｓｔｈより大きいか否かが判定される（Ｓ５０）。平均値とは、燃料電池モジュール２０ａの温度Ｔ１と燃料電池モジュール２０ｂの温度Ｔ２の平均値である。上記差分が閾値Ｓｔｈ以下である場合には（Ｓ５０のＮｏ）、Ｓ１０の処理に戻る。一方、上記差分が閾値Ｓｔｈより大きい場合には（Ｓ５０のＹｅｓ）、該当する燃料電池モジュールの制限電流値Ｉを決定する（Ｓ６０）。制限電流値Ｉの決定方法として、たとえば、電流制御の対象となる燃料電池モジュールの温度と平均値との差分に応じて制限電流値Ｉをメモリ等に予め設定しておくことが挙げられる。続いて、電流制御の対象となる燃料電池モジュールに対応して設けられたスイッチを連続的にオンオフすることにより、該当する燃料電池モジュールに流れる電流が制限電流値Ｉになるように制御する（Ｓ７０）。電流が制御された燃料電池モジュールは、発電量の減少に伴い、発熱量が減少し、ひいては、温度の上昇速度が鈍るか、温度が下降する。一方、電流制御がされない燃料電池モジュールは、電流制御された燃料電池の出力を賄うために発電量が増加する。これにより、電流制御がされない燃料電池モジュールの発熱量が増加し、温度も上昇する。この結果、各燃料電池モジュールの温度差が低減される。電流制御を所定時間（たとえば、１秒）実施した後、各燃料電池モジュールの温度から平均値を引いて得られる差分が閾値Ｓｔｈ以下であるか否かが判定される（Ｓ８０）。差分が閾値Ｓｔｈ以下である場合（Ｓ８０のＹｅｓ）には、Ｓ１０の判定に戻る。一方、差分が閾値Ｓｔｈより大きい場合（Ｓ８０のＮｏ）には、Ｓ７０に戻り、引き続き電流制御が行われる。
【００６３】
なお、本フローチャートでは、燃料電池モジュールの数が２であるが、燃料電池モジュールの数が３以上の場合にも本動作が適用されうる。この場合には、Ｓ５０の判断における平均値は、３以上の燃料電池モジュールの温度の平均値であり、各燃料電池モジュールについて、Ｓ５０〜Ｓ８０のステップが実施される。
【００６４】
（動作例３の説明）
図１３は、燃料電池システムの動作例３を示すタイミングチャートである。図１３（Ａ）は、外部負荷の時間変化を示す。図１３（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂの接続状態（オンオフの状態変化）を示す。図１３（Ｄ）は、各燃料電池モジュールの電力の変化を示す。
【００６５】
図１３は、負荷＞閾値Ｗｔｈ（Ｓ１０のＮｏ）の場合の動作を示す。初期状態（時刻ｔ０）において、外部負荷は生じておらず、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂの温度（周囲の温度）は、それぞれ閾値Ｔｔｈ以下である。この状態では、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂは、ともに発電を行っておらず、外部負荷からも切り離されている。
【００６６】
時刻ｔ１において、外部負荷が起動する。このときの外部負荷は高負荷であり、所定の閾値Ｗｔｈより高い。時刻ｔ１を基点として、燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂで発電が開始され、外部負荷に見合う電力が燃料電池モジュール２０ａ、燃料電池モジュール２０ｂの両方の発電により賄われる。
【００６７】
時刻ｔ２において、燃料電池モジュール２０ａの温度Ｔ１から平均値を引いた差分Ｓ１が閾値Ｓｔｈより高くなると、燃料電池モジュール２０ａの負荷を瞬間的（数１００Ｈｚ〜数ＭＨｚ）にオンオフすることにより、燃料電池モジュール２０ａの電流を制限電流値Ｉとする。なお、燃料電池モジュール２０ａの電流を制御する場合には、燃料電池モジュール２０ａのオンオフのDuty比を所定の値にすればよい。燃料電池モジュール２０ａの電流が制御されている間、燃料電池モジュール２０ａの出力を補うために、燃料電池モジュール２０ｂの電流値が増加する。燃料電池モジュール２０ａの電流が制御されている間、燃料電池モジュール２０ｂの出力は燃料電池モジュール２０ａの出力に比べて大きくなる。ｔ２以降、電流制御される燃料電池モジュール２０ａの温度上昇が鈍り、電流制御されない燃料電池モジュール２０ｂの温度上昇が増大し、両者の温度差が低減される。
【００６８】
時刻ｔ３において、燃料電池モジュール２０ａの温度Ｔ１から平均値を引いた差分Ｓ１が閾値Ｓｔｈ以下になると、燃料電池モジュール２０ａの電流制御が解除される。以降、時刻ｔ４において一方の燃料電池モジュールの電流制御が開始され、時刻ｔ５で電流制御が解除される。
【００６９】
（燃料電池システムの第３の動作フロー）
図１４は、実施の形態に係る燃料電池システム１０の第３の動作を示すフローチャートである。本動作におけるＳ１０、Ｓ２０、Ｓ３０およびＳ４０の各処理は、燃料電池システム１０の第１の動作と同様である。本動作においては、Ｓ４０において燃料電池モジュール２０ａ、２０ｂの両方を負荷に接続した後、最大温度Ｔｍａｘ−最小温度Ｔｍｉｎが閾値Ｕｔｈより大きいか否かが判定される（Ｓ５０）。なお、最大温度Ｔｍａｘとは、複数の燃料電池モジュールの中で、温度が最大となる燃料電池モジュールの温度であり、最小温度Ｔｍｉｎとは、複数の燃料電池モジュールの中で、温度が最小となる燃料電池モジュールの温度である。本フローでは、燃料電池モジュール２０ａの温度が最大温度Ｔｍａｘであり、燃料電池モジュール２０ｂの温度が最小温度Ｔｍｉｎである。最大温度Ｔｍａｘ−最小温度Ｔｍｉｎが閾値Ｕｔｈ以下である場合には（Ｓ５０のＮｏ）、Ｓ１０の処理に戻る。一方、最大温度Ｔｍａｘ−最小温度Ｔｍｉｎが閾値Ｕｔｈより大きい場合には（Ｓ５０のＹｅｓ）、温度が所定順位内の燃料電池モジュールの制限電流値Ｉを決定する（Ｓ６０）。たとえば、本フローのように、燃料電池モジュールの数が２である場合には、温度が高い方の燃料電池モジュールの制限電流値Ｉが決定される。また、燃料電池モジュールの数がｎ（ｎは３以上）である場合には、温度が高い順番（１以上ｎ−１）までの燃料電池モジュールの制限電流値Ｉが決定される。続いて、電流制御の対象となる燃料電池モジュールに対応して設けられたスイッチを連続的にオンオフすることにより、該当する燃料電池モジュールに流れる電流が制限電流値Ｉになるように制御する（Ｓ７０）。電流が制御された燃料電池モジュールは、発電量の減少に伴い、発熱量が減少し、ひいては、温度の上昇速度が鈍るか、温度が下降する。一方、電流制御がされない燃料電池モジュールは、電流制御された燃料電池の出力を賄うために発電量が増加する。これにより、電流制御がされない燃料電池モジュールの発熱量が増加し、温度も上昇する。この結果、各燃料電池モジュールの温度差が低減される。電流制御を所定時間（たとえば、１秒）実施した後、最大温度Ｔｍａｘ−最小温度Ｔｍｉｎが閾値Ｕｔｈ以下であるか否かが判定される（Ｓ８０）。差分が閾値Ｕｔｈ以下である場合（Ｓ８０のＹｅｓ）には、Ｓ１０の判定に戻る。一方、差分が閾値Ｕｔｈより大きい場合（Ｓ８０のＮｏ）には、Ｓ７０に戻り、引き続き電流制御が行われる。
【００７０】
以上説明した、第２および第３のフローチャートに従う動作によれば、燃料電池モジュールの温度にばらつきが生じた場合に温度差を小さくし、燃料電池モジュールの温度を均一化することができる。これにより、燃料電池モジュールを個別に冷却する機構、制御をする必要がなくなるため、燃料電池システムの構成を簡便化することができる。
【００７１】
（変形例１）
外部負荷に並列接続される燃料電池モジュールの数は２個に限られず、３個以上であってもよい。たとえば、図１５に示すように、変形例１に係る燃料電池システム１０は、４個の燃料電池モジュール２０ａ〜ｄを備える。４個の燃料電池モジュール２０ａ〜ｄが外部負荷に並列接続される場合には、燃料電池モジュール２０のを切替運転を行う場合に、外部負荷に同時に接続する燃料電池モジュール２０の数を１、２、３のいずれかに設定することができる。外部負荷に同時に接続する燃料電池モジュール２０の数が１、２、３の場合に適した外部負荷は最大負荷に対して、それぞれ２５％、５０％、７５％である。
【００７２】
【表１】
【００７３】
表１は、外部負荷に並列接続される燃料電池モジュール２０の数が４個の場合に、５０％負荷に対応して切替運転するときの各燃料電池モジュール２０の接続状態を示す。表１において、「ＯＮ」は外部負荷に接続されていることを示し、「ＯＦＦ」は外部負荷から切り離されていることを示す。切替運転時の接続状態は、接続状態１→接続状態２→接続状態３→接続状態４→接続状態１の順で繰り返し推移する。各接続状態において、４個の燃料電池モジュール２０のうち、２個の燃料電池モジュール２０が外部負荷に接続されている。このため、個々の燃料電池モジュール２０に対する負荷は２５％負荷となり、最大負荷時における個々の燃料電池モジュール２０に対する負荷と同等となる。すなわち、個々の燃料電池モジュール２０の電流密度は、負荷が変動しても一定の値に維持される。この結果、燃料電池モジュール２０の温度が一定の範囲内で推移することでドライアウトや生成水の結露が抑制され、ひいては燃料電池システム１０の発電動作をより安定化させることができる。
【００７４】
負荷に電気的に並列接続される燃料電池モジュールの数をｎに一般化すると、少なくとも１つの燃料電池モジュールの温度が所定の温度以下の場合に、負荷に応じて、負荷に同時に接続される燃料電池モジュールの数をｍ／ｎ［ｍ＝１、２、・・・、ｎ−１］に設定して、切替運転を実行することができる。より具体的には、負荷が最大負荷を基準としてｍ／ｎ以下になった場合に、負荷に同時に接続される燃料電池モジュールの数がｍになるように接続切替手段を用いて負荷に接続される燃料電池モジュールが順に切り替えられる。
【００７５】
（変形例２）
上述した実施の形態および変形例では、複数の燃料電池モジュールが平面状に配列されているが、燃料電池モジュールの配列の形態はこれに限られない。図１６は、変形例２に係る燃料電池システムの概略構成を示す分解斜視図である。図１７は、変形例２に係る燃料電池システムの概略構成を示す要部断面図である。
【００７６】
本変形例では、隣接する燃料電池モジュール２０の主表面が互いに向かい合うように複数の燃料電池モジュールが並設されている。本変形例の燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール２０の配列の仕方が異なるが、動作に関しては上述した実施の形態の燃料電池システム１０と同様である。
【００７７】
２組の燃料電池モジュール２０に対応して、燃料供給プレート７０から上方に突出する燃料供給プレート７１が設けられている。各燃料供給プレート７１の内部には燃料流路７２と連通する燃料流路７３が設けられている。燃料供給プレート７１の両主表面には、それぞれ、燃料流路７３の出口となる開口部７５が設けられている。
【００７８】
燃料供給プレート７１の両主表面にアノード側が向くようにそれぞれ燃料電池モジュール２０が設けられている。燃料電池モジュール２０を構成する電解質膜２０２の周囲と燃料供給プレート７１との間にパッキン２１３が設けられており、燃料供給プレート７１と燃料電池モジュール２０のアノード側との間に水素を閉じ込めるアノード空間３１０が形成されている。
【００７９】
水素は、燃料流路７２から各燃料流路７３に分配され、燃料供給プレート７１の両主表面に配設された２組の燃料電池モジュール２０のアノード触媒層２０６に供給される。
【００８０】
上側筐体８０ａの上面および側面に空気取込口８２が設けられている。空気取込口８２から流入した空気は多孔質体９０を通過して、各燃料電池モジュール２０のカソード触媒層２０４に供給される。
【００８１】
以上説明した本変形例の燃料電池システムに実施の形態の燃料電池システムの動作を適用することにより、複数の燃料電池モジュール２０の主表面が互いに向かい合うように配列された構造においても実施の形態の燃料電池システムと同様な効果が得られる。
【００８２】
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【００８３】
たとえば、上述の実施の形態では、各燃料電池モジュールは複数のセルで構成させているが、各燃料電池モジュールは単セルで構成されていてもよい。この場合には、電圧調整回路を設け、切替運転時に外部負荷の電圧に応じて各燃料電池モジュールの出力電圧を昇圧させることにより、外部負荷を駆動させることができる。
【符号の説明】
【００８４】
１０ 燃料電池システム、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ 燃料電池モジュール、３０ 燃料カートリッジ、４０ 制御部、５０ 二次電池、６０、レギュレータ、７０ 燃料供給プレート、２００ 膜電極接合体、２０２ 電解質膜、２０４ カソード触媒層、２０６ アノード触媒層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部負荷に対して電気的に並列接続されているｎ個［ｎは２以上の整数］の燃料電池モジュールと、
各燃料電池モジュールと前記外部負荷との接続状態を切り替え可能な接続切替手段と、
少なくとも１つの燃料電池モジュールの温度が所定の温度以下の場合に、外部負荷に応じて、前記外部負荷に同時に接続される燃料電池モジュールの数がｍ［ｍ＝１、２、・・・、ｎ−１］になるように前記接続切替手段を用いて前記外部負荷に接続される燃料電池モジュールを切り替える切替運転を実行させる制御部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記ｎ個の燃料電池モジュールが平面状に配列されている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
隣接する燃料電池モジュールの主表面が互いに向かい合うように前記ｎ個の燃料電池モジュールが並設されている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御部は、一定時間経過毎に、前記外部負荷に接続される燃料電池モジュールの組み合わせを切り替える請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御部は、各燃料電池モジュールの温度がいずれも所定の温度より高くなった場合に、ｎ個の燃料電池モジュールを前記外部負荷に接続させる請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御部は、前記切替運転の際に、前記外部負荷に接続する対象となる燃料電池モジュールを前記外部負荷に接続し、所定の時間経過後に、前記外部負荷から切り離す対象となる燃料電池モジュールを前記外部負荷から切り離す処理を実行させる請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御部は、前記外部負荷が最大負荷を基準としてｍ／ｎ以下になった場合に、前記外部負荷に同時に接続される前記燃料電池モジュールの数がｍになるように前記接続切替手段を用いて前記外部負荷に接続される燃料電池モジュールを順に切り替える切替運転を実行させる請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１乃至３の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、特定の燃料電池モジュールの温度が各燃料電池モジュールの温度の平均値に対して所定の値より大きい場合に、当該燃料電池モジュールの温度に応じて当該燃料電池モジュールの電流を制限する燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１乃至３の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、全燃料電池モジュールの温度の中で最大温度と最小温度との差が所定値より大きい場合に、全燃料電池モジュールの中で温度が高い順に１つあるいは複数の燃料電池モジュールについて、その温度に応じて当該燃料電池モジュールの電流を制限する燃料電池システム。
【請求項１】
外部負荷に対して電気的に並列接続されているｎ個［ｎは２以上の整数］の燃料電池モジュールと、
各燃料電池モジュールと前記外部負荷との接続状態を切り替え可能な接続切替手段と、
少なくとも１つの燃料電池モジュールの温度が所定の温度以下の場合に、外部負荷に応じて、前記外部負荷に同時に接続される燃料電池モジュールの数がｍ［ｍ＝１、２、・・・、ｎ−１］になるように前記接続切替手段を用いて前記外部負荷に接続される燃料電池モジュールを切り替える切替運転を実行させる制御部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記ｎ個の燃料電池モジュールが平面状に配列されている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
隣接する燃料電池モジュールの主表面が互いに向かい合うように前記ｎ個の燃料電池モジュールが並設されている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御部は、一定時間経過毎に、前記外部負荷に接続される燃料電池モジュールの組み合わせを切り替える請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御部は、各燃料電池モジュールの温度がいずれも所定の温度より高くなった場合に、ｎ個の燃料電池モジュールを前記外部負荷に接続させる請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御部は、前記切替運転の際に、前記外部負荷に接続する対象となる燃料電池モジュールを前記外部負荷に接続し、所定の時間経過後に、前記外部負荷から切り離す対象となる燃料電池モジュールを前記外部負荷から切り離す処理を実行させる請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御部は、前記外部負荷が最大負荷を基準としてｍ／ｎ以下になった場合に、前記外部負荷に同時に接続される前記燃料電池モジュールの数がｍになるように前記接続切替手段を用いて前記外部負荷に接続される燃料電池モジュールを順に切り替える切替運転を実行させる請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１乃至３の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、特定の燃料電池モジュールの温度が各燃料電池モジュールの温度の平均値に対して所定の値より大きい場合に、当該燃料電池モジュールの温度に応じて当該燃料電池モジュールの電流を制限する燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１乃至３の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、全燃料電池モジュールの温度の中で最大温度と最小温度との差が所定値より大きい場合に、全燃料電池モジュールの中で温度が高い順に１つあるいは複数の燃料電池モジュールについて、その温度に応じて当該燃料電池モジュールの電流を制限する燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１１−１７５９６３（Ｐ２０１１−１７５９６３Ａ）
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６７３９４（Ｐ２０１０−２６７３９４）
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]